Молодые ученые из ЦМН совместно с коллегами из Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН открыли новое, неожиданное проявление сверхпроводящего диодного эффекта — асимметрии тока в противоположных направлениях. Эффект был продемонстрирован на ступеньках Шапиро в асимметричном сверхпроводящем квантовом интерферометре (СКВИДе) и оказался значительно выраженнее, чем в стандартных измерениях. Работа углубляет понимание динамики джозефсоновских переходов и может найти применение в сверхпроводящей электронике.
В отличие от традиционных полупроводниковых диодов, сверхпроводящие аналоги позволяют минимизировать потери энергии. В данной работе СКВИД был составлен из двух принципиально разных элементов: джозефсоновского перехода с синусоидальной характеристикой и наномостика из ниобия со сложной многозначной характеристикой. Ключевым результатом стало наблюдение сильной асимметрии ступеней Шапиро — особенностей в вольт-амперной характеристике, возникающих под воздействием СВЧ-излучения, — в то время как традиционное проявление диодного эффекта (асимметрия критического тока) в той же системе было слабым.
«Мы показали, что динамические свойства системы, такие как отклик на высокочастотное излучение, могут быть гораздо более чувствительны к асимметрии, чем ее статические характеристики. Это как если бы вы обнаружили, что дверь, которая с трудом, но все же открывается в обе стороны руками, легко распахивается от сквозняка только в одну сторону. Наша работа открывает путь к созданию сверхпроводящих диодов, работающих в динамическом режиме, где их эффективность максимальна», — прокомментировал первый автор статьи, аспирант МФТИ Дмитрий Калашников.
«Данное исследование — прекрасный пример того, как сложная мезоскопическая система, объединяющая в себе джозефсоновский переход на основе топологического материала и сверхпроводящий наномостик, демонстрирует нетривиальные квантовые эффекты, перспективные для будущих квантовых технологий. Мы не просто наблюдаем известный эффект, а открываем его новое, более мощное проявление, обусловленное спецификой используемых нами наноструктур», — добавил Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Экспериментальные результаты были успешно объяснены с помощью разработанной авторами теоретической модели. Было показано, что сильная асимметрия ступеней Шапиро возникает из-за интерференции между синусоидальным переходом и многозначной характеристикой наномостика, что является уникальной чертой использованной гибридной структуры.
Работа была поддержана Министерством науки и высшего образования РФ и Российским научным фондом.
Публикация: Phys. Rev. B 112, 144504 (2025)
DOI: 10.1103/zvzr-flw6